可持续CO2资源化驱动循环经济：富集本土微生物聚羟基丁酸酯（PHB）合成的宏基因组学解析

《Scientific Reports》：Sustainable CO2 valorization for PHB production towards circular economy: metagenomic insights on enriched indigenous microbial cultures

本研究针对化石基塑料污染及CO2排放问题，开发了基于混合微生物群落（MMC）的CO2生物转化策略。通过预处理与分阶段富集技术，成功将CO2/碳酸氢盐转化为挥发性脂肪酸（VFA）和可生物降解塑料PHB，最高PHB积累量达6.5%。研究结合碳质量平衡、热力学分析及16S rRNA测序，揭示了关键微生物类群（如假单胞菌属、短波单胞菌属）及其代谢通路（Wood-Ljungdahl途径、PHA合成酶），为碳循环生物经济提供了技术支撑。

　　

引言：当废弃碳源遇见“塑料革命”

全球每年生产约3.95亿吨塑料，其生命周期贡献了超过850兆吨的CO₂排放，占全球总排放量的2%。传统塑料的线性经济模式导致79%的废弃塑料进入填埋场或自然环境，仅9%被回收利用。与此同时，大气中不断攀升的CO₂浓度加剧了气候变化危机。如何将废弃碳源转化为高附加值产品，成为实现可持续发展目标（SDG）的关键挑战之一。

在这一背景下，生物可降解塑料聚羟基丁酸酯（PHB）因其优异的生物相容性和可完全降解性，被视为石油基塑料的理想替代品。然而，当前PHB生产成本高昂，主要依赖糖类或油脂等有机底物，限制了其大规模应用。若能将工业排放的CO₂直接转化为PHB，不仅能实现碳负排放，还可推动循环生物经济（CBE）的发展。但现有技术面临两大瓶颈：一是纯菌培养对无菌环境要求严苛，二是CO₂在液相中溶解度低导致转化效率不足。

技术路径：富集本土微生物的“碳捕手”团队

为突破上述限制，研究团队从印度韦洛尔的本土环境中采集了三类混合微生物群落（MMC）：厌氧污泥（AC）、兔粪（RF）和鸡粪（CF）。通过热-酸联合预处理抑制甲烷菌活性，并设计五阶段渐进式富育策略（G0-G4），逐步将碳源从葡萄糖替换为碳酸氢钠及CO₂/H₂混合气体（80:20）。 aerobic阶段则采用氮限制培养基，以乙酸钠或碳酸氢钠为底物富育PHB合成菌群。关键实验技术包括：

1. 1.
   微生物富育与发酵：利用血清瓶反应器（耐压2 bar）进行批次培养，监测pH、OD₆₀₀、VFA/PHB产量；
2. 2.
   产物分析与表征：通过LC-HRMS鉴定VFA组成，FTIR和¹H/¹³C NMR确认PHB化学结构；
3. 3.
   宏基因组学解析：对16S rRNA基因V3-V4区测序，结合PICRUSt2预测KEGG代谢通路；
4. 4.
   碳质量平衡与热力学计算：量化CO₂输入至产物输出的碳流，评估反应吉布斯自由能变（ΔG）。

研究结果

2.1 预处理促进厌氧酸化主导地位

热-酸预处理后，RF和CF的pH分别降至3.45和3.62，表明产乙酸菌成为优势菌群。预处理使AC、RF和CF的VFA产量提升至22.48 g/L、25.71 g/L和27.62 g/L，较未处理组提高25%-50%。

2.2 富育显著提升CO₂固定效率

经G3富育后，AC、CF和RF对碳酸氢钠的利用率分别达49.6%、53.5%和55.4%。enriched组CO₂消耗率（54.8%-82.1%）显著高于非富育组（17.4%-21.4%），两因素方差分析显示富育处理（p<0.000001）和菌源类型（p=0.0017）均对效率有显著影响。

2.3 VFA与PHB联产实现碳闭环

在phase I中，混合MMC（AC+RF+CF）的VFA产量最高（3.467 g/L），phase II进一步将VFA转化为PHB。以乙酸钠为底物的PHB积累量（4.1%）低于碳酸氢钠组（5.6%），但直接利用CO₂的PHB产量仅为3.2%（0.082 g/L）。统计检验证实底物类型对PHB产量影响显著（p=0.0037）。

2.4 产物结构与微生物群落特征

FTIR在1721 cm^-1处检测到PHB酯羰基特征峰，NMR显示化学位移δ=2-3 ppm对应CH₃和CH₂基团。SEM揭示富育后菌体形态从杆状转变为星状，提示碳代谢途径重塑。

宏基因组学分析显示，乙酸钠富育组以Halomonas和Kersersia为主，碳酸氢钠组则富集Brevundimonas和Tistrella mobilis。KEGG通路注释表明，富育菌群在“碳固定途径”和“乙酰-CoA代谢”中基因丰度显著提升。

2.5 碳流与热力学验证

碳质量平衡计算表明，约75%的输入CO₂被转化为VFA（乙酸占比40%）和PHB。热力学分析揭示，CO₂还原为乙酸的ΔG°=+23.7 kJ/mol，而乙酸转化为PHB的ΔG°=+141.63 kJ/mol，证实二者均为耗能反应，依赖微生物的能量耦合驱动。

结论与展望：迈向碳负排放的绿色制造

本研究通过富育本土MMC，构建了“CO₂→VFA→PHB”的级联转化平台，最大CO₂固定效率达70%。尽管当前PHB产量（0.82 g/L）低于工程菌体系（6-12 g/L），但非无菌操作和废物利用的优势使其更具经济可行性。宏基因组数据进一步揭示了关键菌属（如Pseudomonas、Brevundimonas）通过Wood-Ljungdahl途径和PHA合酶协同固定CO₂的机制。

该技术为工业碳捕集与生物制造一体化提供了新思路，有望替代5-7%的石油基塑料产能，直接贡献于SDG 9（产业创新）、12（负责任消费）和13（气候行动）。未来需通过反应器优化（如膜传质增强）和菌群定向进化，进一步提升CO₂传质效率与PHB产率，加速循环生物经济的落地。